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      爐內(nèi)CO測(cè)量在防高溫腐蝕中的應(yīng)用

      2019-01-20 02:42:13王鈞為王中霞艾俊清
      關(guān)鍵詞:火力發(fā)電鍋爐

      王鈞為 王中霞 艾俊清

      摘? 要:一直以來(lái),高溫腐蝕是很多火力發(fā)電電站鍋爐的痼疾,在鍋爐運(yùn)行過(guò)程中,無(wú)法監(jiān)測(cè)和判斷正在運(yùn)行的鍋爐水冷壁是否正在發(fā)生高溫腐蝕,因此運(yùn)行人員也就無(wú)從調(diào)整。等到停爐甚至因腐蝕爆管后,才能在爐膛內(nèi)觀察到高溫腐蝕已發(fā)生,這種被動(dòng)和無(wú)法預(yù)知給鍋爐安全運(yùn)行帶來(lái)很大的安全隱患。該文針對(duì)高溫腐蝕發(fā)生的原因,采用爐內(nèi)水冷壁區(qū)域煙氣中CO的在線測(cè)量技術(shù),通過(guò)被測(cè)量區(qū)域CO的濃度值與高溫腐蝕的對(duì)應(yīng)關(guān)系,確認(rèn)爐內(nèi)燃燒是否出現(xiàn)還原性氣氛過(guò)濃或火焰刷墻,并進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)行調(diào)整,以防止或減輕鍋爐水冷壁發(fā)生高溫腐蝕的現(xiàn)象。

      關(guān)鍵詞:火力發(fā)電;鍋爐;CO在線監(jiān)測(cè);防高溫腐蝕

      中圖分類號(hào):TM621? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

      0 前言

      隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷進(jìn)步,解決鍋爐在運(yùn)行中的問(wèn)題的方法越來(lái)越多,在以往的燃煤電站鍋爐運(yùn)行過(guò)程中,運(yùn)行人員對(duì)爐內(nèi)燃燒的監(jiān)控基本上只能通過(guò)氧量、鍋爐輸出參數(shù)的變化以及火焰強(qiáng)度來(lái)判斷,但是氧量和鍋爐輸出參數(shù)的變化是爐內(nèi)整體燃燒完成以后所得到的結(jié)果,火焰強(qiáng)度又因?yàn)樵诟邚?qiáng)度燃燒環(huán)境下的“偷看”,不能給運(yùn)行人員提出精準(zhǔn)的調(diào)整參數(shù)依據(jù)?,F(xiàn)代燃煤電站鍋爐的運(yùn)行越來(lái)越強(qiáng)調(diào)安全性和經(jīng)濟(jì)性,這就需要運(yùn)行人員最大程度地掌握爐內(nèi)各層燃燒器的燃燒狀況,以達(dá)到精準(zhǔn)的調(diào)控。

      因?yàn)槿狈?duì)爐內(nèi)燃燒狀況的監(jiān)測(cè)手段,運(yùn)行中或者運(yùn)行工況改變時(shí)爐內(nèi)各層燃燒強(qiáng)度如何、火焰是否偏燒或者刷墻,是否各層在設(shè)計(jì)過(guò)??諝庀禂?shù)下運(yùn)行,均無(wú)從得知,由于運(yùn)行中不能監(jiān)測(cè),因此水冷壁的高溫腐蝕只能是一個(gè)發(fā)生后甚至引起爆管后才能得知的問(wèn)題,這種情況嚴(yán)重地影響到電力生產(chǎn)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。水冷壁高溫腐蝕一般是由于被腐蝕區(qū)域還原性氣氛過(guò)濃導(dǎo)致的,在該區(qū)域燃燒過(guò)于強(qiáng)烈或有火焰刷墻現(xiàn)象,是造成還原性氣氛過(guò)濃,產(chǎn)生高溫腐蝕的直接原因。

      隨著科技的發(fā)展,已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)在爐內(nèi)水冷壁附近高溫(800℃)和惡劣環(huán)境下的煙氣的采集和分析,這為監(jiān)測(cè)爐內(nèi)燃燒和高溫腐蝕提供了技術(shù)保障,該文就以基于爐內(nèi)水冷壁附近煙氣中的CO測(cè)量,介紹防止?fàn)t膛水冷壁高溫腐蝕的技術(shù)。

      1 水冷壁高溫腐蝕的產(chǎn)生的原因

      在燃煤鍋爐中,高溫腐蝕分3種類型:硫酸鹽型、氯化物型和硫化物型。硫酸鹽型腐蝕主要發(fā)生在高溫受熱面上;氯化物型腐蝕主要發(fā)生在大型鍋爐燃燒器高溫區(qū)域的水冷壁管上;硫化物型腐蝕主要發(fā)生在大型鍋爐水冷壁管上。水冷壁的高溫腐蝕通常是由這3種類型腐蝕復(fù)合作用的結(jié)果。

      研究表明,國(guó)內(nèi)燃煤鍋爐水冷壁高溫腐蝕通常屬于還原性氣氛下的硫化物腐蝕,腐蝕速率和煙氣中的一氧化碳(CO)、硫化氫(H2S)濃度成正比。

      硫化物腐蝕的形成:鍋爐的高溫腐蝕和還原性氣氛存在著密切的關(guān)系,有研究表明,這種情況在CO和H2S濃度超過(guò)一定范圍的強(qiáng)還原性氣氛中則更為強(qiáng)烈。CO濃度大的地方,腐蝕就大,由于爐膛內(nèi)局部區(qū)域過(guò)??諝庀禂?shù)不足,導(dǎo)致該區(qū)域煙氣處于氣氛,CO和H2S大量形成,從而造成硫化腐蝕。

      硫化物型高溫腐蝕主要發(fā)生在火焰沖刷水冷壁的情況下。當(dāng)煤中含有黃鐵礦(即硫化鐵FeS2),火焰直接沖刷水冷壁時(shí),部分未燃盡的煤粉顆粒會(huì)黏附在水冷壁上,硫化鐵由于受熱而分解出游離狀態(tài)的原子硫和硫化亞鐵。在還原性氣體中,游離態(tài)的原子硫可單獨(dú)存在。當(dāng)管壁溫度達(dá)到350℃以上時(shí),游離態(tài)的原子硫與鐵反應(yīng)生成硫化亞鐵,使管壁受到腐蝕。在爐膛內(nèi)的還原氣氛中,H2S氣體可加快硫化物型高溫腐蝕,并直接腐蝕金屬管壁,其化學(xué)反應(yīng)為

      FeO+H2S→FeS+H2O

      此外,硫化亞鐵還會(huì)被氧化,形成磁性氧化鐵Fe3O4和SO2,而生成的SO2在飛灰中催化劑的催化作用下,反應(yīng)生成SO3,使煙氣中SO3氣體的含量增加,進(jìn)一步加劇了硫酸鹽型高溫腐蝕,即

      3FeS+5O2→Fe3O4+3SO2。

      由此看出,燃煤中含有較多的FeS2,火焰直接沖刷水冷壁和管壁附近為還原性氣氛,是產(chǎn)生硫化物型高溫腐蝕的條件。

      綜上所述,燃煤中的S、Cl、K、Na等物質(zhì)的存在是發(fā)生高溫腐蝕的內(nèi)在根源。而氣流擾動(dòng)和較高的燃燒溫度,使煤粉火焰容易刷墻以及水冷壁附近可能出現(xiàn)還原性氣氛,為產(chǎn)生水冷壁高溫腐蝕提供了充分條件。

      2 防止水冷壁高溫腐蝕的必要性

      燃煤電站鍋爐的高溫腐蝕會(huì)造成爐內(nèi)水冷壁或受熱面腐蝕區(qū)域管壁腐蝕嚴(yán)重,管壁厚度減薄速度加快,嚴(yán)重的運(yùn)行幾個(gè)月到1年之內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)爆管, 導(dǎo)致鍋爐被迫非計(jì)劃停爐并不得不對(duì)被腐蝕區(qū)域換管,嚴(yán)重影響了燃煤電站的安全運(yùn)行,同時(shí)給燃煤電站造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。

      3 爐內(nèi)CO在線測(cè)量及調(diào)整的方法

      由于H2S在煙氣中的含量域值偏低,一般為0~1 000 ppm,且該數(shù)值受到原煤含硫量的影響較大,而CO的含量只與燃燒本身有關(guān)且域值較大,一般為0~100 000 ppm,且煙氣中的CO值與H2S值的生成和變化均與過(guò)剩空氣系數(shù)相關(guān),且具有對(duì)應(yīng)關(guān)系。

      因此我們采用爐內(nèi)CO測(cè)量的方法來(lái)監(jiān)測(cè)爐內(nèi)水冷壁的高溫腐蝕狀況。1)在鍋爐的主燃區(qū)的四周向火側(cè)水冷壁,距燃燒器3 000~5 000 mm處鰭片上開孔,裝設(shè)4套CO在線監(jiān)測(cè)裝置。2)根據(jù)該鍋爐腐蝕區(qū)域特性,在易腐蝕區(qū)域水冷壁中心點(diǎn)鰭片處開孔,裝設(shè)CO在線監(jiān)測(cè)裝置。3)將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)從CO在線監(jiān)測(cè)裝置的PLC控制柜接入DCS。4)在DCS鍋爐爐膛畫面組態(tài),使得CO監(jiān)測(cè)參數(shù)能在畫面相關(guān)位置顯示并設(shè)定報(bào)警參數(shù)。5)在鍋爐啟動(dòng)正常運(yùn)行后進(jìn)行設(shè)備調(diào)試。確定該區(qū)域正常的CO濃度值與異常CO濃度值,并調(diào)試出調(diào)整CO濃度值的燃燒調(diào)整方法。

      4 某電站660 MW鍋爐基于爐內(nèi)CO在線測(cè)量防高溫腐蝕實(shí)例

      某電站鍋爐是超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流鍋爐,采用П型布置、單爐膛、改進(jìn)型低NOX分級(jí)送風(fēng)燃燒系統(tǒng)、墻式切園燃燒方式。爐膛采用內(nèi)螺紋管垂直上升膜式水冷壁、帶再循環(huán)泵的啟動(dòng)系統(tǒng)、一次中間再熱。過(guò)熱蒸汽調(diào)溫方式以煤水比為主,同時(shí)設(shè)置三級(jí)噴水減溫器;再熱蒸汽主要采用尾部豎井分隔煙道調(diào)溫?fù)醢逭{(diào)溫,同時(shí)燃燒器的擺動(dòng)對(duì)再熱蒸汽溫度也有一定的調(diào)節(jié)作用,在低溫再熱器入口管道上還設(shè)置了事故噴水減溫器。其制粉系統(tǒng)為6臺(tái)正壓直吹中速磨,五運(yùn)一備。

      自投運(yùn)以來(lái),該鍋爐始終存在較為嚴(yán)重的高溫腐蝕現(xiàn)象。且腐蝕區(qū)域比較固定于主燃區(qū),屬于典型的切圓偏大以及偏燒、火焰刷墻形成的高溫腐蝕,即使經(jīng)過(guò)燃燒器重大改造,高溫腐蝕依然不能消除。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查高溫腐蝕區(qū)域及爐內(nèi)動(dòng)力場(chǎng)特點(diǎn),我們判斷,該腐蝕區(qū)域是由于切圓半徑偏大和火焰偏斜造成的。

      為此,我們?cè)诟邷馗g區(qū)域所在的燃燒層,在前后左右四面墻上的向火側(cè)近燃燒器方向安裝了4套CO在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),當(dāng)鍋爐啟動(dòng)且運(yùn)行正常后,我們發(fā)現(xiàn),在A/B/C/D四臺(tái)磨運(yùn)行的工況下,該區(qū)域4個(gè)測(cè)點(diǎn)的CO濃度并不超標(biāo),說(shuō)明在400 MW以下負(fù)荷下,其火焰并無(wú)沖刷現(xiàn)象,但在E/F磨啟動(dòng)后,特別是在500 MW負(fù)荷以上,由于上層燃燒器的加入,爐內(nèi)切圓在上部進(jìn)一步擴(kuò)大,其火焰刷墻現(xiàn)象逐漸出現(xiàn)。

      經(jīng)測(cè)量可以看出,在450 MW~550 MW負(fù)荷區(qū)域,前墻A側(cè)測(cè)點(diǎn)CO濃度在500 ppm~70 000 ppm呈脈沖狀波動(dòng),這說(shuō)明該區(qū)域已出現(xiàn)脈沖性火焰沖刷,在560 MW工況下,前墻A側(cè)在30 000 ppm~100 000 ppm波動(dòng),前墻B側(cè)在800 ppm~5 000 ppm波動(dòng),后墻A側(cè)在800 ppm~5 000 ppm波動(dòng),后墻B側(cè)在300 ppm~900 ppm波動(dòng),說(shuō)明燃燒偏前墻A側(cè)較為嚴(yán)重,需要調(diào)整該燃燒層的火焰中心位置,一般來(lái)說(shuō),由于爐膛內(nèi)切圓由下而上逐漸擴(kuò)大,且旋轉(zhuǎn)能力逐漸增強(qiáng),要改變上層火焰中心位置,往往僅靠該層的二次風(fēng)小風(fēng)門的調(diào)整是不夠的,因?yàn)樵谡{(diào)整過(guò)程中,各個(gè)角的二次風(fēng)開度懸殊過(guò)大,會(huì)造成單個(gè)或2個(gè)燃燒器燃燒狀況惡化,為此,我們以這4個(gè)CO濃度測(cè)點(diǎn)值為基準(zhǔn),經(jīng)過(guò)爐內(nèi)各層二次風(fēng)擋板的整體配風(fēng)調(diào)整、各燃燒器出力調(diào)整、制粉系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整等一系列的燃燒優(yōu)化調(diào)整后,4個(gè)測(cè)點(diǎn)CO 濃度值在560 MW~620 MW負(fù)荷下,基本持平,穩(wěn)定在300 ppm~5 000 ppm。

      5 結(jié)論

      高溫腐蝕的發(fā)生多是由于偏燒甚至火焰刷墻導(dǎo)致腐蝕區(qū)域還原性氣氛過(guò)高引起的,由于以前我們對(duì)爐內(nèi)具體的燃燒狀況無(wú)法監(jiān)測(cè),在運(yùn)行中鍋爐是否發(fā)生了高溫腐蝕,該如何調(diào)整,均沒(méi)有1個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)判斷和調(diào)整依據(jù)。隨著科技的發(fā)展,改變了以前對(duì)爐內(nèi)高溫腐蝕不可測(cè)控的困境,通過(guò)爐內(nèi)水冷壁區(qū)域近壁煙氣的抽取和對(duì)煙氣中CO含量的連續(xù)分析測(cè)量,實(shí)現(xiàn)了爐內(nèi)各區(qū)域的還原性氣氛的可測(cè)可控。

      因此高溫腐蝕也變得可測(cè)可控了,如果我們能在鍋爐主燃區(qū)以及易腐蝕區(qū)域水冷壁安裝CO在線監(jiān)測(cè)裝置,通過(guò)對(duì)所監(jiān)測(cè)區(qū)域的CO濃度的測(cè)量,來(lái)判斷高溫腐蝕狀況,當(dāng)發(fā)生問(wèn)題的時(shí)候,及時(shí)報(bào)警,并通過(guò)切實(shí)可行的燃燒調(diào)整手段,降低該區(qū)域還原性氣氛的濃度,可以達(dá)到防止高溫腐蝕的目的。

      參考文獻(xiàn)

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